Характеристика углеводов

Углеводы - альдегиды и кетоны многоатомных спиртов. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахарида различают триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. Моносахариды соединяются посредством гликозидной связи, образуя дисахариды, олигосахариды (до 6 моносахаридных остатков) и полисахариды (гликоген, крахмал). Углеводы образуют соединения с белком (гликопротеиды и протеогликаны), липидами (гликолипиды) и другими веществами (гетеромоносахариды). В организме наиболее распространены пентозы (входят в состав нуклеиновых кислот и коферментов, в частности НАДФ) и гексозы (глюкоза, фруктоза, галактоза).

В форме альдегидов моносахариды называются альдозами, в форме кетонов - кетозами (рис 1). Атомы углерода в молекуле гексоз номеруются от 1 до 6 (как показано около формулы D-глюкозы. Аббревиатура D- или L- отражает позицию гидроксильной группы (-ОН) в последнем положении перед группой -СН₂ОН. D- и L-формы сахаров являются стереоизомерами; D-изомеры записываются с расположением гидроксильной группы справа, L-изомеры - слева от атома углерода. В организме человека сахара представлены в основном D-изоформами, именно к этой изоформе специфичны ферментные системы и транспортные белки, переносчики углеводов через клеточную мембрану.

D-глюкоза L-глюкоза D-фруктоза D-галактоза (альдоза) (альдоза) (кетоза) (альдоза)

Рис. 1. Структурная формула гексоз, наиболее распространенных в организме.

D- и L-изоформы сахаров имеют асимметричные атомы углерода, связанные с разными группировками, поэтому обладают способностью вращать плоскость поляризованного луча. На этом основано определение D-глюкозы в моче с помощью поляриметра.

Альдегидная группа моносахаров может перестраиваться с образованием енольной формы, этому способствует щелочная среда. При высоких температурах и высоких концентрациях щелочей моносахариды не только способны перегруппировываться, но и ионизироваться. Так, в щелочной среде происходит сдвиг в сторону образования анионной формы енола:

Наличие двойной связи и отрицательного заряда в анионной форме енола позволяет глюкозе быть активным восстановителем, на этом основана группа методов определения глюкозы. Так, глюкоза в щелочной среде восстанавливает ионы металлов, в частности соли Fe, Cu, с изменением окраски растворов, что используется при фотометрическом определении глюкозы. Другие сахара также способны восстанавливать ионы металлов в щелочной среде - они суммарно обозначаются как восстанавливающие сахара. Из-за присутствия группы восстанавливающих метаболитов в сыворотке крови при определении глюкозы методами, основанными на использовании её восстанавливающих свойств, результаты будут примерно на 20 % выше, чем при определении глюкозы специфическими методами. Это относится и к референтным (нормальным) диапазонам. Из-за большой вариации результатов, связанных в том числе и с изменениями уровня восстанавливающих метаболитов, от редуктометрических методов определения глюкозы в КДЛ в настоящее время повсеместно отказываются.

Альдегидная группа моносахаридов взаимодействует с гидроксильной группой, находящейся около 5 углеродного атома, формируя пиранозное кольцо. В виде кольца структура сахаров изображается на плоскости, при этом более жирные линии показывают стороны, направленные в сторону читателя. Расположение гидроксильной группы в 1 позиции определяет конфигурацию: если она расположена под кольцом - то это a-конфигурация, если над кольцом - b-конфигурация. Если в состав кольца входит 5 атомов углерода и 1 кислород - это производное пирана и обозначается как пиранозная структура, если кольцо состоит из 4 атомов углерода и 1 кислорода, это производное фурана - соответственно фуранозная структура (рис. 2).

a-D-Фруктоза a-D-Фруктофураноза Фуранозная структура a-D-Фруктоза a-D-Фруктопираноза a-D-Глюкоза a-D-Глюкопираноза Фуран Пиранозная структура Пиран

Рис. 2. Проекционные формулы Хеуорса для глюкопираноз и фруктофураноз. D-глюкопираноза - это внутримолекулярный полуацеталь, содержащий асимметричный С5 атом. Систематическое название для кольцевой формы a-D-глюкозы будет a-D-глюкопираноза

Для разных моносахаридов константа равновесия между открытой и циклической формой различна. Для глюкозы она составляет примерно 5 х 10^-4, поэтому из общего количества в сыворотке только около 0,002 % глюкозы постоянно присутствует в открытой форме. В циклической форме углеводы устойчивы и малоактивны, в открытой форме углеводы обладают высокой реакционной способностью и могут взаимодействовать без участия ферментов с белками (рис. 3), нуклеотидами и липидами; эти реакции получили название гликирования.

Способность к гликированию различна у разных сахаров, это в частности зависит от соотношения открытой и кольцевой форм сахаров. В таблице 1 приведено процентное содержание открытой формы и относительная реакционная способность по гликированию для наиболее распространенных в организме сахаров и их фосфорилированных форм.

Исходя из данных таблицы 1, следует, что гликирующая способность глюкозы меньше, чем у фруктозы в 7,5 раз, чем у галактозы в 4,7 раза, чем у глюкозо-6-фосфата в 50 раз, чем у фруктозо-6-фосфата в 75 раз. Тем не менее, концентрация в сыворотке крови глюкозы значительно выше, чем всех других углеводов, поэтому именно глюкоза вносит основной вклад в процесс гликирования внеклеточных белков. В связи с этим высказываемые предположения о замене пищевой глюкозы на плохо усваиваемую фруктозу могут быть чреваты осложнениями, связанными с усилением процессов гликирования белков. У фруктозы и галактозы больший процент молекул находится в открытой форме, они активнее, чем глюкоза взаимодействуют неферментативно с белками. С этим связано, по-видимому, токсическое действие галактозы у детей с галактоземией.

Открытая форма глюкозы » 0,002 %

К = 5´10-4

БЕЛОК - NН2

Н2С-NH-БЕЛОК

НСО=N-БЕЛОК

Необратимые стадии, при которых образуются стабильные гликированные белки

Рис. 3. Неферментативное гликирование белков при взаимодействии с глюкозой. Гликированию подвержены в крови гемоглобин, белки эритроцитарных мембран, коллаген, сывороточные белки, в том числе альбумин, белки липопротеидов, некоторые ферменты (алкогольдегидрогеназа), мембранные белки эндотелиальных клеток и др.

Таблица 1. Процентное содержание открытой формы и относительная реакционная способность в процессах гликирования некоторых сахаров и их производных.

Переваривание и всасывание

Гидролиз гликогена и крахмала пищи начинается в ротовой полости под влиянием a-амилазы слюны. Моносахариды способны всасываться уже в ротовой полости. В желудке нет ферментов, осуществляющих гидролиз углеводов. В полости тонкой кишки под влиянием a-амилазы сока поджелудочной железы они гидролизуются до декстринов и мальтозы (полостное переваривание). На поверхности микроворсинок энтероцитов локализованы ферменты сахараза, мальтаза, лактаза, изомальтаза и другие, расщепляющие декстрины и дисахариды до моносахаров (пристеночное пищеварение).

При врожденном или приобретенном недостатке одного или нескольких ферментов гидролиза дисахаридов развивается дисахаридазная недостаточность. Всасываются углеводы в виде моносахаров. Дисахариды блокируют места всасывания моносахаридов, поэтому всасывание моносахаридов нарушается. У детей при лактазной недостаточности развивается гипотрофия. Непереваренная лактоза поступает в толстую кишку, где расщепляется бактериями до органических кислот (молочная, уксусная). Повышение лактозы и органических кислот нарушает осмолярность в просвете кишки, нарастает секреция жидкости, объем химуса, увеличивается моторика кишечника, развивается диарея. Диагностика дисахаридазной недостаточности основана в первую очередь на клинических проявлениях, а также на определении активности ферментов дисахаридаз в биоптатах слизистой оболочки тонкой кишки, определении лактозы, сахарозы в кале, снижении рН кала, проведении нагрузочных тестов. В то же время ионы водорода, образующиеся при расщеплении органических кислот, способны поступать в кровоток. В удаление избытка ионов Н⁺ включаются легкие, состояние проявляется увеличением концентрации водорода в конденсатах выдыхаемого воздуха.

Скорость всасывания отдельных моносахаров в тонкой кишке различна. Глюкоза и галактоза всасываются быстрее других моносахаридов. Для глюкозы, очевидно, существует пассивная диффузия, облегченный транспорт и активный перенос за счет энергии, освобождающейся при гидролизе АТФ. Транспорт глюкозы из просвета тонкой кишки через энтероциты осуществляется с помощью белкового натрий- глюкозного транспортера. Глюкоза связывается с ионами натрия, освобождаясь от него на внутренней поверхности мембраны, в этом процессе принимает участие мембраносвязанная Na,K–АТФаза. Кроме того, имеется собственный транспортер глюкозы GluT-5, который помимо глюкозы осуществляет транспорт фруктозы. Глюкоза практически вся всасывается достаточно быстро. Другие сахара, такие как манноза, ксилоза, арабиноза всасываются только пассивной диффузией. На всасывание углеводов влияет функциональное состояние пищеварительного тракта, состав пищевых веществ, витамины, микроэлементы и т.д. Нарушение всасывания (мальабсорбция) диагностируется по целому комплексу клинических, функциональных и лабораторных исследований.